CN113387629A - 一种利用钢渣脱硫副产物及建筑渣土的可控低强度材料及其制备方法 - Google Patents

一种利用钢渣脱硫副产物及建筑渣土的可控低强度材料及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于可控低强度材料制备技术领域，公开了一种利用钢渣脱硫副产物及建筑渣土的可控低强度材料及其制备方法。该材料由包含以下质量份数的原料制备而成：建筑渣土40～65份，钢渣脱硫副产物8～20份，水泥1～5份，粉煤灰6～13份，矿渣5～10份，碱激发剂0.5～5份，分散剂0.2～2份，增稠剂0.05～1份。本发明以建筑渣土替代部分水泥作为胶凝材料，既实现了建筑渣土的资源化利用，又节约了水泥资源，减小了建筑工程废物对环境的危害，且制得的可控低强度材料用于回填土，实现了建筑资源的循环利用，同时解决了大量钢渣脱硫副产物堆放污染环境的问题，具有良好的经济效益和社会价值。

Description

一种利用钢渣脱硫副产物及建筑渣土的可控低强度材料及其 制备方法
技术领域
本发明涉及可控低强度材料制备技术领域，尤其涉及一种利用钢渣脱硫副产物及建筑渣土的可控低强度材料及其制备方法。
背景技术
可控低强度材料(controlled low strengthmaterial，简称CLSM)是一种新型的回填材料，具有高流动性，在自重作用下无需或少许振捣下，可自行填充形成自密实结构。与传统的回填土或其它松散材料相比，CLSM良好的流动性和自密性使其不会产生承载力不足的问题，自流平的特性尤其适用密实度高，狭窄、难以接触的特殊结构；施工时可节省振动、碾压、夯实等工序，降低施工成本，缩短工期。根据原材料的不同，CLSM的性能灵活可调，应用范围很广。目前CLSM在地下管沟、路面基础、涵洞和回填的挡渣土墙等工程中都得以成功应用。
考虑到CLSM材料组成的灵活性，以建筑渣土作为组分制备CLSM不失为一种有效资源化利用的处理方式。国内外展开了对黏土基可控性低强度填充料的研究。Ming-Zhe Lee(WuJY,Lee MZ.Benificalreuse ofconstruction surplus clay in CLSM[J].Int JPavementTechnol,2011,4(5):293-300)等人研究了关于利用施工现场的弃土配制CLSM，研究表明利用废弃渣土可以制备出可用于结构回填的CLSM，控制C/W和W/S可以获得较好的流动性和合理的泌水性，同时它的强度、压缩性和承载能力都与硬粘土相似，符合工程需求。Bhaskar Chittoori(Bhaskar Chittoori,M.ASCE；Anand J.Puppala,F.ASCE；AnilRaavi.Strength and Stiffness Characterization of Controlled Low StrengthMaterial UsingNative High-Plasticity Clay[J].J.Mater.Civ.Eng.2014.26)等人利用高塑性土可以制备出强度满足特定要求的CLSM。Kwan-Ho Lee(Kwan-Ho Lee,Ju-DeukKim.Performance Evaluation of Modified Marine Dredged Soil and Recycled In-Situ Soil as Controlled Low Strength Materials for Underground Pipe[J].KSCEJournal ofCivil Engineering,2013,17(4):674-680)等人用回收的原位土壤和海洋疏浚土配制CLSM，试验表明，CLSM的抗压强度和流动性满足建筑材料标准的要求，高于250kPa，使用CLSM可以减少管道回填的沉陷和管道所受到的压力。刘萌(刘萌.建筑渣土制备可控低强材料及性能研究[D].北京建筑大学)利用建筑渣土可以制备出工作性满足要求的、强度在0.31MPa-25.15MPa之间且强度可控的、凝结时间小于24小时的、沉降值在2mm/m-3.5mm/m之间的可控性低强度材料。保卫国(保卫国,黄崇伟,王德荣.黏土填充型可控性低强度回填材料力学性能[J].解放军理工大学学报(自然科学版))将部分或全部黏土取代细集料制备CLSM试件，认为黏土填充型CLSM的抗压强度与试件的水灰比满足反比例关系，受水泥含量和砂土比的影响显著，黏土填充型CLSM作为路基回填材料在承载能力上具有一定的优越性。
另一方面，冶金钢铁行业产生大量废钢渣，钢渣中含有大量的f-CaO，将废弃钢渣为脱硫剂，消耗钢渣磁选尾矿渣，吸收烧结烟气中的SO2是钢渣资源化利用的热点。目前，宝钢、包钢、唐山德龙钢铁、福建亿鑫钢铁、湘潭钢铁建设等相继采用了钢渣法烧结烟气脱硫技术。随着钢渣脱硫的完成，Si和Fe含量大大降低，f-CaO和Mg含量减小，SO3含量增加。因此，钢渣脱硫副产物的主要成分为二水硫酸钙，但其中包含有亚硫酸钙等产物，并且Fe2O3和Cl-含量较高。目前脱硫副产物主要应用于盐碱地改造，还未有用于制备CLSM的研究报告。因此，亟需提供一种回收利用钢渣脱硫副产物以及建筑渣土制备CLSM的技术方案。
发明内容
本发明的目的在于提供一种利用钢渣脱硫副产物及建筑渣土的可控低强度材料及其制备方法，解决现有技术对钢渣脱硫副产物资源化利用低的问题。
为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：
本发明提供了一种利用钢渣脱硫副产物及建筑渣土的可控低强度材料，由包含以下质量份数的原料制备而成：
建筑渣土40～65份，钢渣脱硫副产物8～20份，水泥1～5份，粉煤灰6～13份，矿渣5～10份，碱激发剂0.5～5份，分散剂0.2～2份，增稠剂0.05～1份。
优选的，在上述一种利用钢渣脱硫副产物及建筑渣土的可控低强度材料中，由包含以下质量份数的原料制备而成：
建筑渣土65份，钢渣脱硫副产物20份，水泥5份，粉煤灰10份，矿渣8份，碱激发剂5份，分散剂0.5份，增稠剂0.05份。
优选的，在上述一种利用钢渣脱硫副产物及建筑渣土的可控低强度材料中，所述建筑渣土含水率为30～60％。
优选的，在上述一种利用钢渣脱硫副产物及建筑渣土的可控低强度材料中，所述钢渣脱硫副产物的二水合硫酸钙含量大于75％，亚硫酸钙含量小于10％。
优选的，在上述一种利用钢渣脱硫副产物及建筑渣土的可控低强度材料中，所述碱激发剂为氢氧化钠或生石灰。
优选的，在上述一种利用钢渣脱硫副产物及建筑渣土的可控低强度材料中，所述分散剂为硅酸钠。
优选的，在上述一种利用钢渣脱硫副产物及建筑渣土的可控低强度材料中，所述增稠剂为PAM。
本发明还提供了一种利用钢渣脱硫副产物及建筑渣土的可控低强度材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)将钢渣脱硫副产物干燥，研磨，与干燥的水泥、粉煤灰、矿渣、碱激发剂、分散剂、增稠剂混合，搅拌，得到干混料；
(2)将建筑渣土和水混合，搅拌，得到泥浆料；
(3)将干混料和泥浆料混合，搅拌，得到可控低强度材料。
优选的，在上述一种利用钢渣脱硫副产物及建筑渣土的可控低强度材料的制备方法中，所述步骤(2)中水的用量按照水固质量比为0.3～0.5添加。其中，所述固体是指干混料和除去含水率后的建筑渣土的总质量。
本发明使用的钢渣脱硫副产物化学成分中具有大量的二水硫酸钙，可以作为激发剂；建筑渣土是以含水铝硅酸盐为主的各种矿物的混合物，属于硅酸盐类原料，主要由石英、粘土类矿物(伊利石、高岭石、蒙脱石)、长石类矿物等组成，可以替代部分水泥作为胶凝材料使用。在本发明技术方案中，钢渣脱硫副产物一方面可以通过硫酸根的激发，将含活性氧化铝或氧化硅的无机类材料水化生成凝胶类物质，同时水化产生的钙、镁或铝离子可与土颗粒吸附层中的钠、钾离子发生交换，降低土颗粒双电层厚度，便于后期压实；水化产物在后期发生碳酸化反应，生成难溶的碳酸钙晶体，进一步提高了材料的强度。本发明制得的可控低强度材料主要是通过离子交换、火山灰反应、碳酸化反应和水化反应等，最终形成强度。
经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
(1)本发明以建筑渣土替代部分水泥作为胶凝材料，既实现了建筑渣土的资源化利用，又节约了水泥资源，减小了建筑工程中产生的废土以及大量水泥的应用对环境的危害，且制得的可控低强度材料还可用于回填土，实现了建筑资源的循环利用，节约了资源，降低了生产成本。
(2)本发明能够实现钢渣脱硫副产物的大规模工程应用，解决了大量钢渣脱硫副产物堆放污染环境的问题，拓宽了其资源化利用途径，具有良好的经济效益和社会价值。
具体实施方式
下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明提供一种利用钢渣脱硫副产物及建筑渣土的可控低强度材料，由包含以下质量份数的原料制备而成：
建筑渣土40～65份，钢渣脱硫副产物8～20份，水泥1～5份，粉煤灰6～13份，矿渣5～10份，碱激发剂0.5～5份，分散剂0.2～2份，增稠剂0.05～1份。
优选的，由包含以下质量份数的原料制备而成：
建筑渣土65份，钢渣脱硫副产物20份，水泥5份，粉煤灰10份，矿渣8份，碱激发剂5份，分散剂0.5份，增稠剂0.05份。
优选的，建筑渣土含水率为30～60％，进一步优选为30％。
优选的，钢渣脱硫副产物的二水合硫酸钙含量大于75％，亚硫酸钙含量小于10％。
优选的，碱激发剂为氢氧化钠或生石灰。
优选的，分散剂为硅酸钠。
优选的，增稠剂为PAM。
本发明还提供一种利用钢渣脱硫副产物及建筑渣土的可控低强度材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)将钢渣脱硫副产物干燥，研磨为400m2/kg的细粉，与干燥的水泥、粉煤灰、矿渣、碱激发剂、分散剂、增稠剂混合，于搅拌机中搅拌3～5min，得到干混料；
(2)将建筑渣土和水混合，于搅拌机中搅拌10～15min，得到泥浆料；
(3)将干混料和泥浆料混合，于搅拌机中搅拌10～30min，得到可控低强度材料。
优选的，步骤(2)中水的用量按照水固质量比为0.3～0.5添加，进一步优选为0.3。其中，水固质量比中的固体是指干混料和除去含水率后的建筑渣土的总质量。
实施例1
本实施例提供一种利用钢渣脱硫副产物及建筑渣土的可控低强度材料，由包含以下质量份数的原料制备而成：建筑渣土65份，钢渣脱硫副产物20份，水泥5份，粉煤灰10份，矿渣8份，氢氧化钠5份，硅酸钠0.5份，PAM0.05份。
制备方法包括以下步骤：
(1)将钢渣脱硫副产物干燥，研磨为400m2/kg的细粉，与干燥的水泥、粉煤灰、矿渣、氢氧化钠、硅酸钠、PAM混合，于搅拌机中搅拌3min，得到干混料；
(2)将建筑渣土(含水率30％)和水混合，控制水固质量比为0.3，于搅拌机中搅拌10min，得到泥浆料；
(3)将干混料和泥浆料混合，于搅拌机中搅拌30min，得到可控低强度材料。
本实施例制得的可控低强度材料根据标准ASTM C143进行流动性测试，根据标准GB/T 50123-2019进行黏聚力、内摩擦角、渗透系数测试，根据标准JG/T 266-2011进行抗压强度测试，结果为：流动性256mm，黏聚力45kPa，内摩擦角18.6°，渗透系数3.6*10-6cm/s，7d抗压强度1.85MPa。
实施例2
本实施例提供一种利用钢渣脱硫副产物及建筑渣土的可控低强度材料，由包含以下质量份数的原料制备而成：建筑渣土50份，钢渣脱硫副产物15份，水泥2份，粉煤灰6份，矿渣5份，生石灰2份，硅酸钠0.2份，PAM0.06份。
制备方法包括以下步骤：
(1)将钢渣脱硫副产物干燥，研磨为400m2/kg的细粉，与干燥的水泥、粉煤灰、矿渣、生石灰、硅酸钠、PAM混合，于搅拌机中搅拌5min，得到干混料；
(2)将建筑渣土(含水率40％)和水混合，控制水固质量比为0.4，于搅拌机中搅拌10min，得到泥浆料；
(3)将干混料和泥浆料混合，于搅拌机中搅拌30min，得到可控低强度材料。
本实施例制得的可控低强度材料进行性能检测，结果为：流动性248mm，粘聚力37kPa，内摩擦角19°，渗透系数6.8*10-5cm/s，7d抗压强度1.74MPa。
实施例3
本实施例提供一种利用钢渣脱硫副产物及建筑渣土的可控低强度材料，由包含以下质量份数的原料制备而成：建筑渣土40份，钢渣脱硫副产物20份，水泥1份，粉煤灰13份，矿渣10份，氢氧化钠0.5份，硅酸钠2份，PAM 1份。
制备方法包括以下步骤：
(1)将钢渣脱硫副产物干燥，研磨为400m2/kg的细粉，与干燥的水泥、粉煤灰、矿渣、氢氧化钠、硅酸钠、PAM混合，于搅拌机中搅拌3min，得到干混料；
(2)将建筑渣土(含水率50％)和水混合，控制水固质量比为0.45，于搅拌机中搅拌13min，得到泥浆料；
(3)将干混料和泥浆料混合，于搅拌机中搅拌20min，得到可控低强度材料。
本实施例制得的可控低强度材料进行性能检测，结果为：流动性250mm，粘聚力48kPa，内摩擦角18.2°，渗透系数2.1*10-6cm/s，7d抗压强度1.79MPa。
实施例4
本实施例提供一种利用钢渣脱硫副产物及建筑渣土的可控低强度材料，由包含以下质量份数的原料制备而成：建筑渣土60份，钢渣脱硫副产物8份，水泥3份，粉煤灰10份，矿渣10份，生石灰4份，硅酸钠1份，PAM0.09份。
制备方法包括以下步骤：
(1)将钢渣脱硫副产物干燥，研磨为400m2/kg的细粉，与干燥的水泥、粉煤灰、矿渣、生石灰、硅酸钠、PAM混合，于搅拌机中搅拌4min，得到干混料；
(2)将建筑渣土(含水率60％)和水混合，控制水固质量比为0.5，于搅拌机中搅拌15min，得到泥浆料；
(3)将干混料和泥浆料混合，于搅拌机中搅拌10min，得到可控低强度材料。
本实施例制得的可控低强度材料进行性能检测，结果为：流动性233mm，粘聚力34kPa，内摩擦角17.5°，渗透系数8.2*10-5cm/s，7d抗压强度1.65MPa。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种利用钢渣脱硫副产物及建筑渣土的可控低强度材料，其特征在于，由包含以下质量份数的原料制备而成：
建筑渣土40～65份，钢渣脱硫副产物8～20份，水泥1～5份，粉煤灰6～13份，矿渣5～10份，碱激发剂0.5～5份，分散剂0.2～2份，增稠剂0.05～1份。
2.根据权利要求1所述的一种利用钢渣脱硫副产物及建筑渣土的可控低强度材料，其特征在于，由包含以下质量份数的原料制备而成：
建筑渣土65份，钢渣脱硫副产物20份，水泥5份，粉煤灰10份，矿渣8份，碱激发剂5份，分散剂0.5份，增稠剂0.05份。
3.根据权利要求1或2所述的一种利用钢渣脱硫副产物及建筑渣土的可控低强度材料，其特征在于，所述建筑渣土含水率为30～60％。
4.根据权利要求2所述的一种利用钢渣脱硫副产物及建筑渣土的可控低强度材料，其特征在于，所述钢渣脱硫副产物的二水合硫酸钙含量大于75％，亚硫酸钙含量小于10％。
5.根据权利要求1、2或4任一项所述的一种利用钢渣脱硫副产物及建筑渣土的可控低强度材料，其特征在于，所述碱激发剂为氢氧化钠或生石灰。
6.根据权利要求3所述的一种利用钢渣脱硫副产物及建筑渣土的可控低强度材料，其特征在于，所述分散剂为硅酸钠。
7.根据权利要求5所述的一种利用钢渣脱硫副产物及建筑渣土的可控低强度材料，其特征在于，所述增稠剂为PAM。
8.如权利要求1～7任一项所述的一种利用钢渣脱硫副产物及建筑渣土的可控低强度材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)将钢渣脱硫副产物干燥，研磨，与干燥的水泥、粉煤灰、矿渣、碱激发剂、分散剂、增稠剂混合，搅拌，得到干混料；
(2)将建筑渣土和水混合，搅拌，得到泥浆料；
(3)将干混料和泥浆料混合，搅拌，得到可控低强度材料。
9.根据权利要求8所述的一种利用钢渣脱硫副产物及建筑渣土的可控低强度材料的制备方法，其特征在于，所述步骤(2)中水的用量按照水固质量比为0.3～0.5添加。
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